À partir des hologrammes enregistrés avec le MTD, il est possible de reconstituer les images qui seraient obtenues à l’aide de microscopes classiques : microscope en champ clair et microscope en champ sombre.
Dans un microscope en champ clair, nous enregistrons directement l’intensité de l’objet observé sur la caméra. Dans notre microscope tomographique diffractif, l’intensité peut être reconstituée à partir de la partie réelle et la partie imaginaire 3D.
Dans un microscope en champ sombre, on utilise un disque pour bloquer la partie centrale du faisceau d’illumination. Par conséquent, le faisceau d’illumination arrive sur l’objet est très incliné. Au niveau de la détection, on utilise un diaphragme pour bloquer le spéculaire, on récupère donc seulement la partie diffractée par l’objet sur la caméra. Dans notre MTD, puisque nous connaissons l’angle du faisceau d’illumination, nous pouvons bloquer le spéculaire numériquement en filtrant le spéculaire avec un masque. Nous pouvons donc reconstituer l’image obtenue avec un microscope en champ sombre. La Figure 4.8 montre la reconstruction de diatomées avec notre MTD. Les Figure
4.8(a) et Figure 4.8(b) sont la partie réelle et la partie imaginaire obtenues avec notre MTD en transmission. La Figure 4.8(c) est l’image reconstituée pour un microscope en champ clair. On peut noter qu’il contient à la fois les informations de la partie réelle et la partie imaginaire. La Figure 4.8(d) est l’image reconstituée pour un microscope en champ sombre.
La simulation d’autres modes d’imagerie est possible avec notre jeux de données en MTD. Par exemple, l’illumination oblique, le microscope à contraste de phase, le microscope DIC. Ceci permettrait de fournir plusieurs images d’un même spécimen, pour faciliter son interprétation.
(c) (d)
(a) (b)
Figure 4.8 – Reconstruction d’un spécimen observé en MTD. (a) : partie réelle, (b) : partie imaginaire, (c) : intensité enregistrée (correspondant à l’image d’un microscope classique en champ clair) et (d) : intensité sans l’illumination (correspondant à l’image d’un microscope en champ sombre.)
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Conclusion
Dans le cadre de cette thèse, nous souhaitions étudier le microscope tomographique diffractif en réflexion et le couplage avec le MTD en transmission.
Au début de ma thèse, je n’avais pas de connaissances en optique, ni en microscopie, ayant fait ma licence en informatique réseaux, mon premier master 2 en électronique automatique et informatique et mon deuxième master 2 en radiophysique et imagerie médicale. J’ai donc consacré les premiers mois à me former en optique géométrique, en optique de Fourier et en holographie numérique. Après avoir acquis les connaissances minimum, j’ai commencé à travailler sur le microscope tomographique diffractif en trans-mission qui existait déjà au MIPS.
Notre premier objectif était l’optimisation du montage expérimental du MTD en transmission. On a remplacé tout d’abord le capteur CCD par un capteur CMOS, qui possède un meilleur rapport signal sur bruit. Ensuite, nous avons modifié le système d’injection du laser afin d’avoir une onde d’illumination plane propre, et optimisé le programme d’acquisition en transmission en LabView. La vitesse d’acquisition a été accéléré d’un facteur 5. Nous avons aussi optimisé le programme de reconstruction. Le temps de reconstruction est réduit, et l’image reconstruite est aussi de meilleure qualité. J’ai aussi étudié l’holographie hors axe : l’enregistrement d’un seul hologramme per-met d’accélérer le temps d’acquisition d’un facteur 4 par rapport au décalage de phase utilisé avant. Puisque l’image du jumeau et l’ordre 0 sont complètement éliminés, l’image de l’objet reconstruite présente aussi une meilleure qualité qu’avec le décalage de phase. Nous avons étudié différents échantillons (pollens, diatomées, cristaux) en transmis-sion avec des résultats encourageants.
Une fois le MTD en transmission optimisé, j’ai travaillé sur le MTD en réflexion. Comme présenté dans le chapitre II, l’utilisation du miroir rapide (FSM300) a accéléré encore le temps d’acquisition. Il est inférieur à une minute pour 300 angles d’incidence. Une collaboration avec le laboratoire LPMT nous a permis d’imager des défauts sur de surfaces métalliques ainsi que des indentations Berkovich et Vickers sur une surface d’acier ou des revêtements de TiAlN. Nous avons vu l’apparaître des franges à l’intérieur des indentations sur l’image reconstruite. Ceci explique qu’on ne peut pas reconstruire correctement des indentations avec notre algorithme.
Afin d’imager correctement ces indentations, j’ai commencé à étudier l’information de phase, qui n’est généralement pas traitée en MTD. Le problème d’ambigüité 2π est lié à l’utilisation de la fonction arctan. Puisqu’il existe déjà des algorithmes de déroulement de phase, j’ai choisi celui de [Herráez et al. (2002)]. J’ai appliqué le déroulement de phase sur la phase reconstruite des indentations et la hauteur mesurée est la même que celle programmée par l’indenteur. Ceci était notre premier résultat en profilométrie multi-angles.
Dans le but de calibrer notre profilométrie multi-angles, on a utilisé des mires de calibration (1000P et 1800S). En étudiant la mire de calibration STR10-1000P, la hauteur mesurée s’est révélée. Les objectifs à haute ouverture numérique utilisés pour améliorer la résolution latérale limitent la hauteur mesurée à λ/4n, n étant l’indice du milieu. En introduisant une longueur d’onde équivalente plus grande en inclinant l’incidence λe= λ
4n cos θ, l’intervalle de saut de hauteur mesuré a été élargi.
J’ai appliqué la même méthode pour la mire de calibration STR10-1800S, qui possède des sauts de hauteur plus important. En raison de l’ouverture numérique de l’objectif, l’angle maximal est limité à 67, 5◦. Il est expérimentalement difficile d’obtenir la bonne hauteur en inclinant autant le faisceau d’illumination. J’ai donc étudié la méthode à deux longueurs d’onde proposée par [Cheng and Wyant (1984)]. Mais au lieu d’utili-ser deux sources, j’ai utilisé une seule source, la possibilité d’avoir plusieurs longueurs d’onde équivalentes en inclinant le faisceau d’illumination. On retrouve alors la bonne hauteur pour la mire de calibration STR10-1800S, mais le bruit est également amplifié, puisqu’il est proportionnel à la longueur d’onde. Afin d’augmenter l’intervalle de saut de hauteur mesurée sans augmenter le bruit, j’ai adapté une méthode de correction de phase proposée par [Creath(1987)].
En utilisant les incidences multiples, j’ai aussi étudié une synthèse d’ouverture 2D pour améliorer la résolution latérale de la phase reconstruite, ainsi que les sources d’er-reurs qui peuvent dégrader la qualité de la mesure : l’erreur liée au décalage de phase, le bruit cohérent lié à l’utilisation du laser et les aberrations optiques du système. J’ai im-plémenté deux algorithmes automatiques : l’une pour la défocalisation à fort angle d’illu-mination, l’autre pour la compensation d’aberration de phase. Ces deux programmes sont robustes et prêts à utiliser pour les travaux futurs du laboratoire.
Pour la partie compensation d’aberration de phase, à part les images présentées dans le chapitre III, j’ai aussi calculé la répétabilité sur l’image de phase compensée. L’écart type est inférieur à 1 nm, ce qui montre la haute précision de notre profilométrie multi-angles. Une quantification précise des erreurs résiduelles reste à faire.
Ce travail de thèse a donc permis d’améliorer un instrument existant, d’étendre son champ d’application, et de valider les résultats obtenus à l’aide d’échantillons de référence. Cela permettra à l’avenir de continuer ces travaux innovants, et renforcer l’expertise déjà reconnue du MIPS dans ce domaine du MTD.
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